永磁电机齿槽转矩综合抑制方法研究现状及展望

  汪旭东，许孝卓，封海潮，上官璇峰

(河南理工大学电气工程与自动化学院，焦作454000)

摘要：由于永磁电机固有的结构特点，存在齿槽转矩，影响电机的低速性能和高精度定位。

系统阐述了永磁电机齿槽转矩的研究现状，分析了齿槽转矩的产生机理和分析计算方法，归纳总结了齿槽转矩抑制方法，深入分析了各种方法的优缺点和适用场合，最后展望了永磁电机齿槽转矩的研究重点、难点以及研究方向。

关键词：永磁电机；齿槽转矩；抑制方法；展望

0引  言

    近年来，随着永磁材料性能不断提高，永磁电机以其体积小、结构简单、运行可靠、功率密度高、输出转矩大、动态性能好以及电机形状和尺寸灵活多样等显著优点，越来越广泛地应用于国防、工农业生产和日常生活中，尤其在机器人、精密电子仪器和设备等对电机性能和控制精度要求较高的高性能速度和位置控制系统中，永磁电机以其独特的优势受到普遍的重视。然而，永磁电机中永磁体和开槽电枢铁心相互作用，不可避免产生齿槽转矩，导致转矩波动，降低永磁电机伺服驱动系统的控制特性和运行可靠性，影响系统的控制精度，并引起振动、噪声等问题。针对上述问题，国内外众多学者提出了一系列行之有效的齿槽转矩抑制解决方案。本文在分析永磁电机齿槽转矩产生机理和计算方法的基础上，对现有齿槽转矩抑制方法进行归纳总结，分析各种方法的优缺点和适用场合，为齿槽转矩抑制技术的实际应用和进一步研究提供借鉴。

1永磁电机齿槽转矩

1．1齿槽转矩产生机理

  永磁电机的齿槽转矩是指电枢绕组开路时，由永磁体产生的磁场与电枢齿槽作用产生的转矩。该转矩随转子位置改变呈现周期性变化，周期大小由永磁电机的磁极数与槽数决定。实际上齿槽转矩是转子转动时电机中的静磁能变化率。由于永磁体和铁心中的静磁能变化很小可以忽略，故电机的静磁能近似等于气隙中的静磁能。当铁齿槽时，磁场能量随定子和转子的相对位置发生变化，并向着磁能积变小的方向产生转矩，即齿槽转矩，从本质上而言是永磁体磁场与齿槽间作用力的切向分量^[3]。齿槽转矩总是试图将转子定位在某一位置，又称齿槽定位转矩。齿槽转矩与定子电流无关，是定转子相对位置的函数，与电机齿槽的结构和尺寸有很大关系。准确考虑齿槽结构对电机气隙磁场的影响是分析计算齿槽转矩的关键。齿槽转矩引起永磁电机的转矩和速度波动，使电机产生振动和噪声，当脉动转矩的频率与电枢

电流谐振频率一致时，会产生共振，势必会放大齿槽转矩的振动和噪声，严重影响电机的定位精度和伺服陛能，尤其在低速时影响更为严重。

1．2分析方法

    分析齿槽转矩常用的方法通常有解析法、有限元法、图解法和等效磁网络法。

    傅立叶分析是一种实用、快捷的解析方法。它是分析永磁电机齿槽转矩基波及低次谐波分量的一种行之有效的方法。文献[415]采用解析法，对无刷永磁电机的齿槽转矩进行计算。文献[6]对嵌入式永磁电机齿槽转矩进行预测，并研究不同的隔磁槽对齿槽转矩的影响。文献[7]利用许一克变换，构造了考虑齿槽效应的等效气隙磁导函数，提出了一种永磁无刷直流电机齿槽转矩的解析方法，可用于磁极分段移位、齿面加辅助槽等结构的齿槽转矩计算，还可将数值法和解法结合起来使用。文献[8]中采用解析方法对永磁电机进行结构优化，减小齿槽转矩。采用解析法进行分析计算时，往往会将齿槽转矩的高次谐波忽略掉，因而得到的结果精度不高，但仍可满足工程需要。

  有限元分析方法得到越来越广泛的关注和应用。FEM借助于A ys、Anson、M。gnet等大型软件的可视化窗口界面，建模过程简单、计算精度高，缺点是耗时较长。国内外采用FEM计算永磁电机齿槽转矩的文献很多。针对斜极、斜槽等不对称结构永磁电机齿槽转矩可采用3一D FEM进行准确计算。

    图解分析法也叫磁通一磁动势(FIux—MMF)绘图法。在永磁电机中，只要绘制出任一极的磁通一磁动势图，就可以根据虚功原理求得齿槽转矩。实际操作中可以通过有限元分析得到磁通量，相应的磁动势可通过退磁曲线得到。文献[9]就采用这种方法对电机的齿槽转矩进行计算，取得较好的效果。

    三维等效磁网络法(EMcN)把模型离散为六面体单元，相邻节点间通过集中的磁导连接起来，单元节点磁场变量和标量磁位由相应的磁导和磁势决定。采用三维等效磁网络方法，文献[10]对两相混合步进电机进行非线性分析。文献[11]对无利永磁电机进行优化设计。文献[12]对齿形状优化，以降低无刷永磁电机的转矩波动。